矿井瓦斯第一讲瓦斯正常涌出.9.ppt

思考与总结,1、矿井通风教了我们哪些知识？矿井通风的任务与矿井空气（思考问题的出发点）矿井通风压力、通风阻力、通风动力（分析问题的基本原理）矿井通风系统、采区通风系统、掘进通风方法（解决问题的方法）矿井总风量的计算与设备选型（解决问题的途径）矿井通风构筑物（解决问题的工具）2、如果矿井通风能力有限，完不成基本任务怎么办？,学煤矿安全工程技术？,1、知识无用论？设计不敢用2、无知者无畏（闻瓦斯）3、知识学不到家（测量瓦斯）4、安全条件下生产（工作不用拼命）5、灾害综合防治（瓦斯、火、生产）6、知（防什么、怎么防、为何防）,学时分配,瓦斯防治 10+4学时火灾防治 10学时粉尘防治 4学时水灾防治 2学时矿山救护 2学时,主讲：王 兵 建 副教授河南理工大学能源学院,通 风 安 全 学第九章 矿井瓦斯,提出问题,为何再学瓦斯知识？需要掌握哪些知识？瓦斯如何形成、赋存、运移？瓦斯是如何造成灾害的？（事故机理）分类、各类瓦斯灾害的特点如何预防瓦斯灾害？（治理方案）瓦斯灾害发生后如何抢险救灾？,本章主要内容,第一节 概述第二节 煤层瓦斯赋存与含量第三节 矿井瓦斯涌出与等级鉴定第四节 瓦斯喷出第五节 煤与瓦斯突出及其预防第六节 瓦斯抽采第七节 爆炸及其预防,瓦斯如何形成、赋存、运移？瓦斯是如何造成灾害的？（事故机理）分类、各类瓦斯灾害的特点如何预防瓦斯灾害？（治理方案）瓦斯灾害发生后如何抢险救灾？,第一节、概述,矿井瓦斯：是煤矿生产过程中，从煤、岩内涌出的各种气体的总称。煤矿术语中的瓦斯指的就是甲烷。CH4的性质 无色、无味、无嗅的气体，但有时可以闻到类似苹果的香味，这是出于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。分子量：16.049，分子直径：0.41nm，密度：0.716Kg/m3（气态）、424.5 Kg/m3（液态）相对空气密度：0.554,难溶入水:101.3 KPa,20,3.31l/100lH2O危害：爆炸，突出，人员窒息、环境污染。作用：能源、化工原料。,第二节、煤层瓦斯赋存与含量,一、瓦斯的成因与赋存（一）矿井瓦斯的生成 煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的。成气过程两个阶段：第一阶段为生物化学成气时期；第二阶段为煤化变质作用时期；,（1）生物化学阶段（从植物遗体到泥炭）4C6H10O5 7CH4+8CO2+C9H6O+3H2O 特点：埋藏浅，覆盖层胶结不好，煤层保存气体少。,（2）变质阶段（从泥炭到烟煤）泥炭 褐煤 烟煤 无烟煤如：4C16H18O5 C57H56O10+4CO2+3CH4+2H2O C57H56O10 C54H42O5+CO2+2CH4+3H2O C54H42O5 C13H4+2CH4+H2O,P、t,P、t,P、t,第二节、煤层瓦斯赋存与含量,特点：（1）碳化过程生成的大量气体。初期：主要为CO2，CH4不多。随着碳化程度的提高，CO2减少，CH4增多，同时生成重烃。（2）碳化的同时，煤的物质分子式、结构发生变化；（3）因覆盖层增厚，生成的气体大多得以保存。但煤层瓦斯含量远小于生成量。减少的原因：（1）地质构造运动；（2）运移到适于贮存地点，形成气藏；（3）溶解于水中（长久地质年代过程中）；（4）逸散于大气中（从煤层露头）。,第二节、煤层瓦斯赋存与含量,第二节、煤层瓦斯赋存与含量,（二）瓦斯在煤体内存在的状态 煤体是一种复杂的多孔性固体，包括原生孔隙和运动形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空间和孔隙表面。（1）煤中孔隙的分类 微孔：直径 10-1 mm，层流和紊流混合渗透区间。并决定了煤的宏观(硬和中硬煤)破坏面。一般，把小孔至可见孔的孔隙体积之和称为渗透容积，把吸附容积与渗透容积之和称为总孔隙体积；煤的总孔隙体积占相应煤的体积的百分比称为煤的孔隙率，以表示。,第二节、煤层瓦斯赋存与含量,（二）瓦斯在煤体内存在的状态 煤体是一种复杂的多孔性固体，包括原生孔隙和运动形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空间和孔隙表面。煤层中瓦斯赋存两种状态：游离状态：瓦斯以自由气态存在；吸附状态：吸着瓦斯主要吸附在煤的微孔表面上。吸收瓦斯吸附在煤的微粒结构内部。吸着状态是孔隙表面的固体分子引力作用下，瓦斯分子被紧密地吸附于孔隙表面上，形成很薄的吸附层。吸收状态是瓦斯分子充填到几埃到十几埃的微细孔隙内，占据着煤分子结构的空位和煤分子之间的空间，如同气体溶解于液体中的状态。,第二节、煤层瓦斯赋存与含量,二、煤层中瓦斯垂直分带 形成原因：当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，由于煤层中瓦斯向上运移和地面空气向煤层中渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。,第二节、煤层瓦斯赋存与含量,四带：CO2-N2带、N2带、N2CH4带、CH4带。现场实际过程中，将前三带总称为瓦斯风化带。煤层垂向各带气体组份表,第二节、煤层瓦斯赋存与含量,在近代开采深度内，瓦斯带内煤层瓦斯含量和涌出量随深度增加而有规律地增大。意义：掌握本煤田煤层瓦斯垂直分带的特征，是搞好矿井瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。,第二节、煤层瓦斯赋存与含量,瓦斯风化带下界深度确定依据：（可以根据下列指标中的任何一项确定）（1）煤层的相对瓦斯涌出量等于23m3/t处；（2）煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到80%（体积比）；（3）煤层内的瓦斯压力为0.10.15MPa；（4）煤的瓦斯含量达到下列数值处：长焰煤1.01.5 m3/t（C.M.），气煤1.52.0m3/t（C.M.），肥煤与焦煤2.02.5m3/t(C.M)，瘦煤2.53.0m3/t(C.M.)，贫煤3.04.0m3/t(C.M.)，无烟煤5.07.0m3/t(C.M.)（此处的C.M.是指煤中可燃质既固定碳和挥发分）,第二节、煤层瓦斯赋存与含量,三 影响煤层瓦斯含量的因素 煤的瓦斯含量是指单位体积或重量的煤在自然状态下所含有的瓦斯量（标准状态下的瓦斯体积）。单位为 m3/m3(cm3/cm3)或 m3/t(cm3/g)。煤的瓦斯含量包括游离瓦斯和吸附瓦斯含量之和。主要影响因素：1、煤的吸附特性 煤的吸附性能决定于煤化程度，一般情况下煤的煤化程度越高，存储瓦斯的能力越强。,第二节、煤层瓦斯赋存与含量,2、煤层露头 煤层如果有或曾经有过露头长时间与大气相通，瓦斯含量就不会很大。3、煤层的埋藏深度 在近代开采深度范围内，瓦斯带内煤层的瓦斯含量随深度的增加而呈线性增加。,第二节、煤层瓦斯赋存与含量,4、围岩透气性 煤层围岩：是指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的层段。煤层围岩对瓦斯赋存的影响，决定于它的隔气、透气性能。5、煤层倾角 埋藏深度相同时，煤层倾角越小，瓦斯含量越大。煤层倾角愈大，煤层瓦斯含量愈低。Exp:芙蓉矿，北翼：40 80,南翼：6 12，,第二节、煤层瓦斯赋存与含量,6、地质构造 在围岩属低透气性的条件下，封闭型地质构造有利于瓦斯的储存，而开放型地质构造有利于排放瓦斯。(1)褶皱构造（2）断层7、水文地质条件,第二节、煤层瓦斯赋存与含量,四、煤层内的瓦斯压力 煤层的瓦斯压力是处于煤的裂隙和孔隙中的游离瓦斯分子热运动撞击所产生的作用力。煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量、瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的基本参数。瓦斯压力测定：打钻、封孔、测压,常用的封孔方法：水泥砂浆（被动式）、胶圈压力粘液、胶囊密封粘液（主动式）,第二节、煤层瓦斯赋存与含量,瓦斯带内瓦斯压力变化规律：末受采动影响的煤层内的瓦斯压力，随深度的增加而有规律地增加，可以大于、等于或小于静水压。瓦斯压力梯度：则 或式中：P预测的甲烷带内深H(m)处的瓦斯压力，MPagp瓦斯压力梯度，MPa/mP0-甲烷带上部边界处瓦斯压力，取0.2MPa。,第三节 矿井瓦斯涌出,一、瓦斯涌出形式1、普通涌出-长时间地、均匀地从煤体中涌出瓦斯。特点：时间上：连续不断 空间上：普遍存在 涌出强度：缓慢、均匀2、特殊涌出：-矿井生产过程中，在某些特定地点、突然地于一段时间内大量涌出瓦斯的现象。特点：时间上：突然地、间隔的 空间上：非普遍存在 涌出强度：产生动力破坏,第三节 矿井瓦斯涌出,二、瓦斯涌出量及其表达方法1、定义 瓦斯涌出量指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量。2、瓦斯涌出量表示方法（1）绝对瓦斯涌出量 单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3/d或m3/min：Qg=QC/100（2）相对瓦斯涌出量 平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量，单位是 m3/t。qg=Qg/A 说明：相对瓦斯涌出量单位的表达式虽然与瓦斯含量的相同，但两者的物理含义是不同的，其数值也是不相等的。,练习,已知某矿井总回风量为10000m3/min，瓦斯浓度为0.4%，日产量为5760t，试求该矿井的绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量，并确定该矿瓦斯等级（该矿无煤与瓦斯突出现象）。-2010研cumt已知某矿井总回风量为4500m3/min，瓦斯浓度为0.6%，日产量为4000t，试求该矿井的绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量，并确定该矿瓦斯等级（该矿无煤与瓦斯突出现象）。-2009研cumt已知某矿井总回风量为4000m3/min，瓦斯浓度为0.5%，日产量为2880t，试求该矿井的绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量，并确定该矿瓦斯等级（该矿无煤与瓦斯突出现象）。-2008研cumt,第三节 矿井瓦斯涌出,三、影响瓦斯涌出的因素 决定于自然因素和开采技术因素的综合影响。（一）自然因素（1）煤层和围岩的瓦斯含量 它是决定瓦斯涌出量多少的最重要因素。一般地，煤层的瓦斯含量越高，开采时的瓦斯涌出量也越大。（2）地面大气压变化,第三节 矿井瓦斯涌出,（二）开采技术因素 1、开采规模 开采规模指开采深度，开拓与开采范围和矿井产量。A、在甲烷带内，随着开采深度的增加，相对瓦斯涌出量增大。B、开拓与开采的范围越广，煤岩的暴露面就越大，因此，矿井瓦斯涌出量也就越大。C、矿井产量与矿井瓦斯涌出量间的关系比较复杂，达产前、达产后及产量收缩期。,第三节 矿井瓦斯涌出,2、开采顺序与回采方法 首先开采的煤层（或分层）瓦斯涌出量大；采空区丢失煤炭多，回采率低的采煤方法，采区瓦斯涌出量大。顶板管理采用陷落法比充填法能造成顶板更大范围的破坏和卸压，临近层瓦斯涌出量就比较大。回采工作面周期来压时，瓦斯涌出量也会大大增加。3、生产工艺 瓦斯从煤层暴露面（煤壁和钻孔）和采落的煤炭内涌出的特点是，初期瓦斯涌出的强度大，然后大致按指数函数的关系逐渐衰减。所以落煤时瓦斯涌出量总是大于其它工序。,第三节 矿井瓦斯涌出,4、风量变化 矿井风量变化时，瓦斯涌出量和风流中的瓦斯浓度会发生扰动，但很快就会转变为另一稳定状态。,第三节 矿井瓦斯涌出,5、采区通风系统 采区通风系统对采空区内和回风流中瓦斯浓度分布有重要影响。6、采空区的密闭质量,第三节 矿井瓦斯涌出,四、矿井瓦斯涌出来源的分析与分源治理 按划分目的的不同，对矿井瓦斯来源划分为三种方式：1、按水平、翼、采区来进行划分 它作为风量分配的依据之一。2、按掘进区、回采区和已采区来划分 它是日常治理瓦斯工作的基础。3、按开采区、临近区划分 它是采煤工作面治理瓦斯工作的基础。,第三节 矿井瓦斯涌出,五、瓦斯涌出不均系数 正常生产过程中，矿井绝对瓦斯涌出量受各种因素的影响其数值是经常变化的，但在一段时间内只在一个平均值上下波动，峰值与平均值的比值称为瓦斯涌出不均系数。矿井瓦斯涌出不均系数表示为：kg=Qmax/Qa 式中：kg给定时间内瓦斯涌出不均系数；Qmax该时间内的最大瓦斯涌出量，m3/min；Qa该时间内的平均瓦斯涌出量，m3/min；,第三节 矿井瓦斯涌出,六、矿井瓦斯等级1、矿井瓦斯等级划分依据：矿井瓦斯等级鉴定应当根据实际测定的瓦斯涌出量、瓦斯涌出形式、回风巷瓦斯浓度和实际发生的瓦斯动力现象、实测的突出危险性参数等进行。,瓦斯矿井,瓦斯等级分类,高瓦斯矿,突出矿井,q矿,Q矿,Q掘,Q采,动力现象,10,40,3,5,无瓦斯喷出,10,40,3,5,发生过瓦斯喷出,1.发生过煤与瓦斯突出的；2.经鉴定具有煤与瓦斯突出煤层的；3.依照有关规定按突出矿井管理，在规定期限内未组织突出鉴定的。,从煤体或岩体裂隙、孔洞、钻孔或炮眼中大量涌出瓦斯的异常涌出现象。在20 m巷道范围内，涌出瓦斯量大于或等于1.0 m3/min且持续8 h以上时的区域定为瓦斯喷出危险区域。,实训操练,某矿井深最深达735m，分东西两翼开采，全矿共有2个综放工作面、1个准备工作面。矿井年生产原煤102万t，两个采煤工作面的年产量（年工作时间330天）分别为48万t和45万t。,1）如何开展矿井瓦斯等级鉴定工作。2)根据矿井瓦斯等级鉴定过程中测定数据，判定该矿的瓦斯等级。（假定无瓦斯动力现象出现）,第三节 矿井瓦斯涌出,2、矿井瓦斯等级鉴定（1）鉴定时间和基本条件 矿井瓦斯等级的鉴定工作应在正常生产的条件下进行。（2）测点选择和测定内容及要求。（3）矿井瓦斯等级的确定。3、鉴定时间鉴定时间一般应当根据当地气候条件选择在矿井绝对瓦斯涌出量最大的月份，且生产矿井应当在正常生产条件下进行。参数测定工作应当在鉴定月的上、中、下旬各取一天（间隔不少于7天），每天分三个班（或四个班）、每班三次进行。,第三节 矿井瓦斯涌出,4、鉴定周期瓦斯矿井、高瓦斯矿井应当每2年进行一次瓦斯等级鉴定工作。突出矿井一般不再进行周期性瓦斯等级鉴定工作，但应当测定各煤层瓦斯涌出量、瓦斯压力等参数。鉴定过程中，应同时测定矿井CO2涌出量，作为核定和调整风量的依据。矿井应该在新水平、新采区、火成岩侵入区或者采深增加超过50m时，测定煤层瓦斯压力、瓦斯含量等瓦斯基本参数，并对矿井瓦斯涌出量进行测定。,第三节 矿井瓦斯涌出,5、矿井出现下列情况之一的，应当进行瓦斯等级鉴定：（1）建设矿井建设完成的；（2）矿井核定生产能力提高的；（3）改扩建矿井改扩建完成的；（4）开采新水平的；（5）资源整合矿井整合完成的。,第三节 矿井瓦斯涌出,七、矿井瓦斯涌出量预测 定义：指根据某些已知相关数据，按照一定的方法和规律，预先估算出矿井或局部区域瓦斯涌出量的工作。新建矿井、生产矿井的新水平或新采区，需要预测瓦斯涌出量，做为通风设计的依据。预测偏高，增大投资和通风设备的运行费用，浪费；预测偏低，投产不久就需要通风改造，或者被迫降低产量。,预测瓦斯涌出量,矿山统计法,分源预测法,第三节 矿井瓦斯涌出,1、矿山统计法 根据生产矿井或生产水平，在以往生产过程中积累的大量不同深度相对瓦斯涌出量与深度的数据，通过整理分析找出相互之间变化关系的统计规律，推算出相邻的新矿井或延深水平瓦斯涌出量的方法。,第三节 矿井瓦斯涌出,（1）瓦斯涌出量梯度 深度与相对瓦斯涌出量q的比值，称瓦斯涌出量梯度gm。（2）物理含义：q每增加1m3/t 时，开采深度增加的米数，其单位为m/(m3/t)。瓦斯涌出量梯度愈小，矿井瓦斯涌出量随深度增加的速度愈快。（3）计算公式：gm=(H2-H1)/(q2-q1)n 式中:n 指数系数，大多数煤田在垂深1000m内时n=1。,第三节 矿井瓦斯涌出,已知瓦斯涌出量梯度和瓦斯风化带下界深度时，就可用下式预测相对瓦斯涌出量。qm=q0+(H-H0)/gm 或 qm=qm1+(H-H1)/gm 式中：qm 预测的深H(m)处的q值，m3/t；q0瓦斯风化带下界的q值，q0=2m3/t；,第三节 矿井瓦斯涌出,（4）公式适用范围瓦斯带内。必须具备所要预测的矿井或采区煤层开采顺序、采煤方法、顶板管理、地质构造、煤层赋存、煤质等与生产矿井或生产区域相同或类似的条件。外推范围沿垂深不超过200 m，沿煤层倾斜方向不超过600 m。,煤层等瓦斯涌出量线图,为了比较精确地预测相对瓦斯涌出量，应该在矿井开采层面图上标出各个已采区段的相对瓦斯涌出量，把相对瓦斯涌出量相同的点连成等相对瓦斯涌出量线。对于外推的区域，根据对应地点的瓦斯涌出量梯度与底板等高线的深度，用虚线画出预测的等相对瓦斯涌出量线。这种等瓦斯涌出量线图清晰简明，不仅反映出倾斜方向上瓦斯涌出量变化，而且也反映出走向方向上的变化。,43,第三节 矿井瓦斯涌出,2、计算法分源预测法（瓦斯含量法）以煤层瓦斯含量为基础进行计算。AQ 10182006 矿井瓦斯涌出量预测方法,q1,q2,q3,q4,q采,q掘,q区,q井,第三节 矿井瓦斯涌出,薄及中厚煤层不分层开采时，开采层瓦斯涌出量 厚煤层分层开采时，开采层瓦斯涌出量计算 邻近层瓦斯涌出量,第三节 矿井瓦斯涌出,掘进巷道煤壁瓦斯涌出量 q0煤壁瓦斯涌出强度 掘进落煤的瓦斯涌出量,思考题,相对瓦斯涌出量、煤层瓦斯含量、瓦斯涌出不均匀系数、相对瓦斯涌出量梯度、煤层瓦斯压力,本章内容结束,谢谢,